應(yīng)變法在CNG氣瓶檢測中的應(yīng)用研究*

黎玉萍，孟永彪，文洪江，李 悅

（新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆烏魯木齊830046）

應(yīng)變法在CNG氣瓶檢測中的應(yīng)用研究*

黎玉萍，孟永彪，文洪江，李 悅

（新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆烏魯木齊830046）

利用應(yīng)變法對在用壓縮天然氣鋼瓶（compressed nature gas，CNG）的水壓試驗過程進行了研究。鋼瓶受壓狀態(tài)下，針對整體容積殘余變形率這一安全指標(biāo)，對比了應(yīng)變法與傳統(tǒng)內(nèi)測法的優(yōu)劣，并總結(jié)了應(yīng)變法的部分影響因素。

CNG鋼瓶；應(yīng)變法；水壓試驗；整體容積殘余變形率

鑒于氣瓶是儲存和運輸氣體的可重復(fù)性充裝的移動式壓力容器，而充裝介質(zhì)一般都具有壓力、可燃性、氧化性、毒性、腐蝕性及化學(xué)不穩(wěn)定性等特點，是具有潛在危險性的特種容器。所以要防止氣瓶事故的發(fā)生，要采取很多措施，其中對氣瓶進行定期全面檢驗檢測[1-2]可及時發(fā)現(xiàn)氣瓶隱患，防止事故發(fā)生。根據(jù)GB12135-89《氣瓶定期檢驗站技術(shù)條件》[1]，氣瓶的定期檢驗是根據(jù)瓶裝氣體的性質(zhì)以及氣瓶使用條件及環(huán)境，缺點在用氣瓶每間隔一定期限，由氣瓶檢驗站采樣適當(dāng)而有效的方法對氣瓶進行一次全面的檢查和必要試驗。定期檢查不僅要進行外觀檢查，還要拆掉瓶閥進行內(nèi)部檢查，更重要的是要進行水壓試驗和氣密試驗。

電測法在水壓試驗中（傳統(tǒng)方法采用內(nèi)測法或外測法），其中彈塑性失效是高壓氣瓶金屬材料的一種主要破壞形式，國標(biāo)中把10%殘余變形率[1-3]做為高壓氣瓶安全與否的判定標(biāo)準(zhǔn)，利用DASP軟件[4]所測得的應(yīng)力變形數(shù)值來計算氣瓶的殘余變形率，用于表征在用氣瓶是否安全。

利用UG、ANSYS軟件對氣瓶進行受壓建模分析，可得出氣瓶可能存在危險的特征點。運用精度很高的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變儀，測試對應(yīng)特征點在受壓前后氣瓶的應(yīng)力應(yīng)變，再將氣瓶表面局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)變回歸到氣瓶整體殘余變形率這個指標(biāo)，對比內(nèi)測法與電測法的效果，并分析用電測法分析氣瓶殘余變形率的影響因素關(guān)系。

1 實驗原理[5-7]

金屬電阻絲承受拉伸或壓縮變形時，電阻也將生改變，產(chǎn)生電阻應(yīng)變效應(yīng)，即金屬絲電阻隨機械變形而改變的物理現(xiàn)象。在不同方向的外力作用下，所產(chǎn)生的形變量ε不同。對于一根普通電阻絲，有（dR/R=Kε，其中K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，K=（1+2 μ）+dρ/（ρε）），可知應(yīng)變ε與載荷有關(guān)，即在應(yīng)變片粘貼在試件上會隨著受載變形電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。這樣，應(yīng)變片就完成了一個由載荷表示的機械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐怠?/p>

測量前，將電阻應(yīng)變片用特殊的膠合劑粘貼在氣瓶欲測應(yīng)變的部位，當(dāng)殼體受到載荷作用發(fā)生變形時，電阻應(yīng)變片中的電阻絲隨之一起變形，導(dǎo)致電阻絲長度及截面積的改變，從而引起其電阻值的變化。通過動態(tài)或靜態(tài)型電阻應(yīng)變儀，就可測得相應(yīng)特征點的應(yīng)變，利用創(chuàng)新理論將氣瓶表面局部結(jié)構(gòu)的二維應(yīng)變推演出氣瓶整體三維容積形變，推算出鋼瓶整體殘余變形率。

2 實驗部分

2.1 特征點的選取

利用氣瓶應(yīng)力應(yīng)變結(jié)論分析并用超聲波測厚儀測量各點厚度，利用UG建立氣瓶模型，利用WorkB eanth接口，將UG中建好的模型導(dǎo)入ANSYS進行分析，可以得出各點的應(yīng)力-應(yīng)變云圖。如圖1。

圖1 ANSYS建模分析氣瓶各特征點的等效彈性應(yīng)變Fig.1 Equivalent elastic strainonthe characteristic points of CNG

可以得出幾個特征點應(yīng)變分布情況，在筒體中心處的應(yīng)變達(dá)到最大，但是在封頭部位，由于厚度很大及封頭加強圈的作用，應(yīng)變反而很小。

2.2 實驗儀器

實驗儀器為BZ2210多通道動態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀、DASP數(shù)據(jù)處理軟件。

2.3 實驗方法

通過薄壁容器理論分析主應(yīng)力方向為氣瓶環(huán)向方向，用砂紙沿與主應(yīng)力方向成45°角打磨直至氣瓶表面打磨擦拭干凈。在各特征點處劃線并粘貼應(yīng)變片[10]。待貼片粘貼牢固，選擇16芯的純銅導(dǎo)線與應(yīng)變片引線焊接，注意絕緣。再檢查阻值、接線，進行應(yīng)、軟件調(diào)試，再進行示波采樣。

2.4 實驗分析方法

利用數(shù)據(jù)采集儀采集粘貼在CNG氣瓶中心線的應(yīng)變片應(yīng)變變化量并顯示在DASP功能窗口中，可得出對應(yīng)波形在一個時段的平均值，定為該測點該狀態(tài)下的應(yīng)變值。根據(jù)差分及積分理論，可計算出氣瓶在該狀態(tài)下對應(yīng)的殘余變形率。

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 實驗結(jié)果

（1）DASP軟件模擬氣瓶受壓前后的動態(tài)過程（0～20 MPa）見圖2。

圖2 DASP軟件模擬氣瓶受壓前后的動態(tài)過程Fig.2 Dynamic process during the hydraulic pressure process from0 MPato 20 MPasimulatedby DASPsoftware

（2）氣瓶中心線的環(huán)向應(yīng)變的數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 氣瓶中心線處的環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Statistical dataof hoopstrainatCNGvessel centerline

表2 氣瓶中心線處的軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 Statistical dataof axial strainatCNGvessel centerline

（3）氣瓶中心線處的軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。

3.2 實驗結(jié)果討論

根據(jù)表1，表2做出Excel折線圖如圖3，圖4。

初始狀況下氣瓶中心線各點的應(yīng)變并不一致，主要是因為接線與儀表的誤差，但對于με精度而言是可以忽略的。升壓至2 MPa主要是為了排除氣瓶內(nèi)可能存在氣泡，會產(chǎn)生誤差。在壓力升至33.4 MPa，分別采了3次樣，可知在保壓過程中，形變不穩(wěn)定，并有減小趨勢，且斜率越來越小。從33.4 MPa卸壓至0 MPa過程中，氣瓶的回復(fù)并不完全。卸壓后的零狀態(tài)與初始狀態(tài)比較，沒有回復(fù)到起始位置，說明氣瓶的回復(fù)需要一定的時間，據(jù)統(tǒng)計：在氣瓶經(jīng)過破壞性實驗后，氣瓶彈性回復(fù)大約需要一個月，即在這段時間內(nèi)不宜進行第二次破壞性水壓實驗。

由圖3、4所示，氣瓶中心線環(huán)向應(yīng)變基本上是軸向應(yīng)變的4倍。根據(jù)薄壁容器理論[8]，對于球形封頭的氣瓶，筒體的環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的2倍，而封頭區(qū)由于厚度和加強圈的作用，封頭的環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力相等。

圖3 氣瓶中心線處的環(huán)向應(yīng)變εFig.3 HoopstrainatCNGvessel centerline

圖4 氣瓶中心線處的軸向應(yīng)變εFig.4 Axial strainatCNGvessel centerline

氣瓶鋼材存在抗變形能力方向性[9]?；剞D(zhuǎn)體容器原材料一般為板材或管材，軋制方向不同，組織的方向纖維性就不同，耐受外力壓力能力也呈現(xiàn)出方向性。例如，正常加工的合格鋼瓶，其環(huán)向組織耐受力就是軸向組織耐受力的兩倍。

電測法與內(nèi)測法相比，氣瓶的殘余變形率更為精確，即用部分特征點應(yīng)變回歸分析整體電測法與內(nèi)測法相比，氣瓶的殘余變形率更為精確，即用部分特征點應(yīng)變回歸分析整體容積變化是理想的。結(jié)果如圖5所示。

但是部分實測的應(yīng)變與理論應(yīng)變還是存在一些偏差，影響的可能因素包括應(yīng)變片的誤差、環(huán)境溫度及電磁噪聲干擾、氣瓶鋼材結(jié)構(gòu)誤差等。所有這些影響的疊加效應(yīng)使得應(yīng)變法測得的殘余變形率與內(nèi)測法存在一定的差值，在實驗過程中盡力避免則可以明顯減小誤差。

圖5 對比2種方法測試的氣瓶殘余變形率Fig.5 Comparisonof two methods fordetectionof the residual deformationrate of CNGvessel

4 結(jié)論

氣瓶檢驗測試水壓試驗過程中，利用電測法檢測所計算的氣瓶殘余變形率比傳統(tǒng)的內(nèi)測法有很大的進步。實驗發(fā)現(xiàn)：

（1）利用應(yīng)變法測試CNG氣瓶水壓試驗中的殘余變形率比傳統(tǒng)方法精確。

（2）應(yīng)變法測試結(jié)果相關(guān)的影響因素較傳統(tǒng)方法少且小。

[1]GB12135-89，氣瓶定期檢驗站技術(shù)條件[S].1989.

[2]GB19533-2004，汽車用壓縮天然氣鋼瓶定期檢驗與評定[S].2005.

[3]孫平輝，馬昌華.氣瓶檢驗[M].北京：中國勞動出版社，1993.

[4]東方振動和噪聲技術(shù)研究所.DASP E.T.軟件操作使用說明書[M].北京：東方振動和噪聲技術(shù)研究所,2005.

[5]修維紅，張海波.粘貼式高溫應(yīng)變片電測技術(shù)及其在鋯復(fù)合板設(shè)備應(yīng)變測量中的應(yīng)用[J].壓力容器，2007，24（9）：52-55.

[6]鄭俊，趙紅旺，朵興茂.應(yīng)力應(yīng)變測試方法綜述[J].汽車科技，2009，1：5-8.

[7]夏祁寒.應(yīng)變片測試原理及在實際工程中的應(yīng)用[J].山西建筑，2008，34（28）：99-100.

[8]周詳，劉益虹.工程結(jié)構(gòu)檢測[M].北京：北京大學(xué)出版社，2007：2.

[9]鄭津洋，董其伍，桑芝富，等.過程設(shè)備設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[10]戴娟，汪大鵬，陳蕾，等.電測應(yīng)力實驗中應(yīng)變計的粘貼技巧[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報，2003，13（3）：55-57.

[11]繆華山.應(yīng)變片貼片方位誤差及計算機輔助分析[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報，2001，20（2）：143-146.

Application of Strain Method in Inspection of CNG Vessel

LI Yu-Ping，MENGYong-Biao，WEN Hong-Jiang，LIYue
（College of Chemistry and chemical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

Hydraulic pressure experiment process of CNGvessel was studied with the strainmethod . Aiming at residual volumetric deformation of CNG vessel under pressured state，the strain method was compared with traditional test method ，and some influence factors of the strainmethod were summarized.

CNGvessel；Strainmethod；Hydraulic pressure experiment；Rate of residual volumetric deformation

TQ050.7

A

1671-0460（2010）04-0383-04

2010-03-15

黎玉萍（1982-），女，四川內(nèi)江人，碩士研究生。E-mail：lypwhj@sina.com。